实验二十一
被测体面积大小对电涡流传感器的特性影响实验
一、实验目的：
了解电涡流传感器在实际应用中其位移特性与被测体的形状和尺寸有关。
二、基本原理：
电涡流传感器在实际应用中，由于被测体的形状，大小不同会导致被测体上涡流效应的不充分，会减弱甚至不产生涡流效应，因此影响电涡流传感器的静态特性，所以在实际测量中，往往必须针对具体的被测体进行静态特性标定。
三、需用器件与单元：
直流源、电涡流传感器、测微头、电涡流传感器实验模板、不同面积的铝被测体、数显单元。
四、实验步骤：
1．按图2-1安装电涡流传感器。
图2-1传感器安装示意图
2．在测微头端部装上铝质金属（小圆盘与小圆柱体），作为电涡
流传感器的被测体。调节测微头，使铁质金属圆盘的平面贴到电涡流传感器的探测端，固定测微头。
图2-2 电涡流传感器接线示意图
3．传感器连接按图2-2，实验模块输出端Uo与直流电压表输入端U i相接。直流电压表量程切换开关选择电压20V档，模块电源用2号导线从实验台上接入+15V电源。
4．合上实验台上电源开关，记下数显表读数，然后每隔0.1mm 读一个数，直到输出几乎不变为止。将结果列入表2-1。
（1）由上图可得系统灵敏度：S=ΔV/ΔW=3.1977V/mm （2）由上图可得非线性误差：
当x=1mm时:
Y=3.1977×1+2.4036=5.6013V
Δm =Y-5.70=-0.0987V
yFS=10.69V
δf =Δm /yFS×100%=0.923%
当x=3mm时:
Y=3.1977×3+2.4036=12.00V
Δm =Y-11.2=0.8V
yFS=10.69V
δf =Δm /yFS×100%=7.48%
表2-3 铝质被测体（圆柱体）
找到线性区域，绘制线性区域的回归线：
（1）由上图可得系统灵敏度：S=ΔV/ΔW=7.112V/mm （2）由上图可得非线性误差：
当x=0.1mm时:
Y=7.112×0.1+6.733=7.442V
Δm =Y-7.29=0.1542V
yFS=9.78V
δf =Δm /yFS×100%=1.57%
当x=0.3mm时:
Y=7.112×0.3+6.733=8.867V
Δm =Y-9.07=-0.2034V
yFS=9.78V
δf =Δm /yFS×100%=2.08%
实验二十
电涡流传感器测量振动实验
一、实验目的：
了解电涡流传感器测量振动的原理与方法。
二、基本原理：
根据电涡流传感器位移特性，根据被测材料选择合适的工作点即可测量振幅。
三、需用器件与单元：
主机箱、电涡流传感器实验模块、电涡流传感器、振动源、低通滤波器、示波器。
四、实验步骤：
1、根据图22安装电涡流传感器（逆时针转出压紧螺母，装上传感器安装支架再顺时针转动压紧螺母）并接线。
2、将主机箱中的低频振荡器幅度旋钮逆时针转到底（低频输出幅度为零）；检查接线无误后。合上主机箱电源开关，调节转动源中的传感器升降杆（松开锁紧螺钉，粗调升降杆在细调调节螺母），使主机箱中的电压表显示为实验二十中铝材料的特性曲线的线性中点位置时的电压值（这时传感器端面与被测体振动台面之间的安装距离为线性区域的大致中点位置），拧紧锁紧螺钉。
3、顺时针慢慢调节低频振荡器幅度旋钮，使低频振荡器输出的电压峰峰值为2V（用示波器监测）；再调节低频振荡器振荡频率（用频率表监测）为3-25Hz之间变化，频率每增加2Hz记录低通滤波器输出端V o的值（用示波器监测）并画出F-V o特性曲线。由曲线估算振动台的谐振频率（V o最大时对应频率）。实验完毕，关闭电源。
数据：
由F-V o特性曲线可知，振动台的谐振频率为13Hz
五、思考题
1、能否用本系统数显表头，显示振动？还需要添加什么单元，如何实现？
答：不能，因为输出电压随振动不断变化。可以添加一个峰值采样电路，将其输出接到数显表，则可以通过数显表的变化来观察振动强弱变化
2、当振动台振动频率一定时(如12Hz)，调节低频振荡器幅值可以改变振动台振动幅度，如何利用电涡流传感器测量振动台的振动幅度?
答：将输出值接到示波器，测量输出信号的峰峰值，则此峰峰值对应一个振动幅度。将测得的峰峰值带入两者关系公式，即可得到幅度。
522009年第2期 电涡流式振动位移传感器应用和运行分析 刘敏,孙长生 (浙江省电力试验研究院,杭州310014) 摘要:简述了电涡流式振动位移传感器结构、基本工作原理和电力系统使用中的工作特点,对现场安装使用中存在的问题进行归类分析,指出了在检定、校准该类传感器时必须注意的问题,提出了完善安装、检修和运行维护管理方法,为提高该类传感器运行可靠性提供参考。 关建词:振动;位移;传感器;应用 中图分类号:TK 314文献标识码:B 文章编号:1007-1881(2009)02-0052-03 Anal y sis on O p eration and A pp l ication of Edd y Current Vibration Dis p lacement Trans ducer L I U M i n ,S U N Chan g -shen g (Zhe j ian g Elect ric Power Test and Research Instit ute ,Han g zhou 310014,China ) Abstract :T he p a p er states the confi g uration ,w ork theor y and characteristic of ECVD transducer in electric p ow er s y stems.It is g ot an attention to the classified anal y sis in installation and a pp lication p rocess.It is m ade an ex p la 2nation and discussion to im p rove su p ervision w a y s in the installation ,exam ination ,o p eration m aintenance ,to en 2hance o p eration reliabilit y of the transducer. K e y w ords :vibration ;dis p lacem ent ;transducer ;a pp lication 图1电涡流传感器结构汽轮发电机组的振动是机组安全与经济运行 的重要指标,振动测量多数选用电涡流式振动位 移传感器。目前浙江省内电厂汽轮发电机组上应 用的振动监测设备,主要有美国本特利、瑞士 V B -600、德国菲力浦产品,少数使用日本产 品。这些振动传感器及其配套的显示仪表,计量 检定结果显示多数性能比较稳定,投入运行后能 正确反映机组的振动变化,但有少数性能不稳 定,或因校验、安装、使用不当,导致运行中出 现异常,影响机组正常运行。1电涡流式振动位移传感器基本原理和结构 电涡流式振动位移传感器由传感器线圈、前 置器和被测导体组成,利用它们之间耦合程度的 变化来进行测量,并具有零频率响应性能。购买 来的传感器仅为振动测量的一部份,设计和使用 时还必须考虑被测导体的物理性能、几何形状和 尺寸等因素。 电涡流传感器是固定在框架上的扁平圆线 圈,由多股漆包线或银线绕制而成,一般放在传 感器的端部。结构形式见图1,测量原理是:传感器线圈被来自前置器的高频信号激励(一般为1MH z ～2MH z ),产生高频磁场,当传感器线圈与导体平面之间的间隙变化,通过涡流效应转换,使线圈电感、阻抗和品质因素产生变化。工程测量中采用并联谐振法,使前置器输出电压的变化量与间隙的变化量成正比,即在前置器中将一个固定电容和传感器线圈并联与晶体管一起构成一个振荡器,见图2。高频谐振电压经检波、放大后的输出电压与位移的关系为S 曲线,见图3。在中心点δ0附近有一个δ=δ2+δ1的线性段,即是可用的测量范围,而δ的大小主要取决传感器外经D 的尺寸。当线圈在线性段,间距δ=δ0+δM sin2 πf x t 时,前置器输出电压为: 浙江电力 ZHE J IANG E LECT RIC POWER
（五） 电涡流传感器位移实验 一、实验目的：了解电涡流传感器测量位移的工作原理和特性。 二、基本原理：通以高频电流的线圈产生磁场，当有导电体接近时，因导电体涡流效应产生涡流损耗，而涡流损耗 与导电体离线圈的距离有关，因此可以进行位移测量。 三、需用器件与单元：电涡流传感器实验模板、电涡流传感器、直流电源、数显单元、测微头、铁圆片。 四、实验步骤： 1、根据图3－7安装电涡流传感器。 图3－7 电涡流传感器安装示意图 2、传感器结构，这是一个扁平绕线圈。 ３、将电涡流传感器输出线接入实验模板上标有Ｌ的两端插孔中，作为振荡器的一个元件（传感器屏蔽层接地）。 ４、在测微头端部装上铁质金属圆片，作为电涡流传感器的被测体。 ５、将实验模板输出端V 0与数显单元输入端Vi 相接。数显表量程切换开关选择电压20V 档。 ６、用连接导线从主控台接入＋15V 直流电源到模板上标有+15V 的插孔中。 ７、使测微头与传感器线圈端部接触，开启主控箱电源开关，记下数显表读数，然后每隔0.2mm 读一个数，直到输 出几乎不变为止。将结果列入表3-4。 表3-4电涡流传感器位移X 与输出电压数据 8、根据表4-4数据，画出V-X 曲线，根据曲线找出线性区域及进行正、负位移测量时的佳工作点，试计 算量程为 1mm 、3mm 及5mm 时的灵敏度和线性度（可以用端基法或其它拟合直线）。 axis([10.5 18.5 0.66 7.9]); coords=[10.5:1:18.5,19.5;0.66,2.01,3.35,4.55,5.55,6.32,6.90,7.34,7.67,7.9]; grid; hold; plot(coords(1,:),coords(2,:),'*'); x=coords(1,:) y=coords(2,:)' 图3－8 电涡流传感器位移实验接线图
档案编号： 毕业设说明书题目：电涡流传感器的研究与探讨 系别：电气工程系 专业：生产过程自动化 班级： 姓名： 指导教师： （共18 页） 年月日
摘要：电涡流传感器是基于涡流效应的新型传感器。由于它具有结构简单、抗干扰能力强、测量精度高、非接触、响应速度快、不受油污等介质影响等优点，因而得到了广泛的应用。但目前的电涡流位移传感器存在着测量范围小，传感器存在非线性问题，这给传感器的应用造成了一定的影响。 本文首先通过对实验室所用的电涡流传感器实验模板的电路进行研究和优化，进而提高电路的抗干扰能力使测量结果的更加准确。其次针对电涡流位移传感器存在的测量范围小，传感器存在非线性问题的改善提出设想即：先对电涡流位移传感器用于位移检测的工作原理及应用进行分析，研究了线圈截面形状及参数变化对涡流传感器线性测量范围和灵敏度的影响；再从电路设计方面提高传感器的稳定性及抗干扰能力，从而为位移测量扩展量程打下基础；最后通过对电涡流传感器测位移实验进行分析处理得出电涡流传感器位移测量范围的扩展方法和改善电涡流传感器非线性问题的方法。 关键词：电涡流传感器; 位移测量; 非线性; 测量范围 Abstract: the eddy current sensor is a new type of sensor based on eddy current effect. Because it is simple in structure, strong anti-jamming capability, high accuracy, non-contact, fast response, not polluted advantages such media influence, and been widely used. But the current electricity eddy displacement sensor measurement range small, there exist nonlinear problem, the sensor to a sensor applications has caused some influence. This paper firstly eddy current sensor used in the laboratory experiment template circuit research and optimization, and improve the anti-interference ability of the circuit more accurate measurement results. Secondly according to the eddy current displacement sensor measurement range small, there exist nonlinear problem of sensor to improve it puts forward the idea of the eddy current is: first displacement detection sensors for displacement of the working principles and applications, research analyzed the coil cross-section
电涡流传感器能静态和动态地非接触、高线性度、高分辨力地测量被测金属导体距探头表面的距离。它是一种非接触的线性化计量工具。电涡流传感器能准确测量被测体（必须是金属导体）与探头端面之间静态和动态的相对位移变化。在高速旋转机械和往复式运动机械的状态分析，振动研究、分析测量中，对非接触的高精度振动、位移信号，能连续准确地采集到转子振动状态的多种参数。如轴的径向振动、振幅以及轴向位置。从转子动力学、轴承学的理论上分析，大型旋转机械的运动状态，主要取决于其核心—转轴，而电涡流传感器，能直接非接触测量转轴的状态，对诸如转子的不平衡、不对中、轴承磨损、轴裂纹及发生摩擦等机械问题的早期判定，可提供关键的信息。电涡流传感器以其长期工作可靠性好、测量范围宽、灵敏度高、分辨率高、响应速度快、抗干扰力强、不受油污等介质的影响、结构简单等优点，在大型旋转机械状态的在线监测与故障诊断中得到广泛应用。 一、电涡流传感器的基本原理 根据法拉第电磁感应原理，块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时，导体内将产生呈涡旋状的感应电流，此电流叫电涡流，以上现象称为电涡流效应。而根据电涡流效应制成的传感器称为电涡流式传感器。 前置器中高频振荡电流通过延伸电缆流入探头线圈，在探头头部的线圈中产生交变的磁场。当被测金属体靠近这一磁场，则在此金属表面产生感应电流，与此同时该电涡流场也产生一个方向与头部线圈方向相反的交变磁场，由于其反作用，使头部线圈高频电流的幅度和相位得到改变（线圈的有效阻抗），这一变化与金属体磁导率、电导率、线圈的几何形状、几何尺寸、电流频率以及头部线圈到金属导体表面的距离等参数有关。通常假定金属导体材质均匀且性能是线性和各项同性，则线圈和金属导体系统的物理性质可由金属导体的电导率б、磁导率ξ、尺寸因子τ、头部体线圈与金属导体表面的距离D、电流强度I和频率ω参数来描述。则线圈特征阻抗可用Z=F(τ, ξ, б, D, I, ω)函数来表示。通常我们能做到控制τ, ξ, б, I, ω这几个参数在一定范围内不变，则线圈的特征阻抗Z就成为距离D的单值函数，虽然它整个函数是一非线性的，其函数特征为“S”型曲线，但可以选取它近似为线性的一段。于此，通过前置器电子线路的处理，将线圈阻抗Z 的变化，即头部体线圈与金属导体的距离D的变化转化成电压或电流的变化。输出信号的大小随探头到被测体表面之间的间距而变化，电涡流传感器就是根据这一原理实现对金属物体的位移、振动等参数的测量。 其工作过程是：当被测金属与探头之间的距离发生变化时，探头中线圈的Q值
传感器实验报告（二） 自动化1204班蔡华轩 U201113712 吴昊 U201214545 实验七： 一、实验目的：了解电容式传感器结构及其特点。 二、基本原理：利用平板电容C=εA/d 和其它结构的关系式通过相应的结 构和测量电路可以选择ε、A、d 中三个参数中，保持二个参数不变，而 只改变其中一个参数，则可以有测谷物干燥度(ε变)测微小位移(变d)和测量液位(变A)等多种电容传感器。 三、需用器件与单元：电容传感器、电容传感器实验模板、测微头、相敏 检波、滤波模板、数显单元、直流稳压源。 四、实验步骤： 1、按图6-4 安装示意图将电容传感器装于电容传感器实验模板上。 2、将电容传感器连线插入电容传感器实验模板，实验线路见图7-1。图 7-1 电容传感器位移实验接线图 3、将电容传感器实验模板的输出端V01 与数显表单元Vi 相接(插入主控 箱Vi 孔)，Rw 调节到中间位置。 4、接入±15V 电源，旋动测微头推进电容传感器动极板位置，每间隔0.2mm 图（7-1） 五、思考题： 试设计利用ε的变化测谷物湿度的传感器原理及结构，并叙述一 下在此设计中应考虑哪些因素？ 答：原理：通过湿度对介电常数的影响从而影响电容的大小通过电压表现出来，建立起电压变化与湿度的关系从而起到湿度传感器的作用；结构：与电容传感器的结构答大体相同不同之处在于电容面板的面积应适当增大使测量灵敏度更好；设计时应考虑的因素还应包括测量误差，温度对测量的影响等
六：实验数据处理 由excle处理后得图线可知：系统灵敏度S=58.179 非线性误差δf=21.053/353=6.1% 实验八直流激励时霍尔式传感器位移特性实验 一、实验目的：了解霍尔式传感器原理与应用。 二、基本原理：霍尔式传感器是一种磁敏传感器，基于霍尔效应原理工作。 它将被测量的磁场变化（或以磁场为媒体）转换成电动势输出。 根据霍尔效应，霍尔电势UH=KHIB，当霍尔元件处在梯度磁场中 运动时，它就可以进行位移测量。图8-1 霍尔效应原理 三、需用器件与单元：霍尔传感器实验模板、霍尔传感器、直流源±4V、± 15Ｖ、测微头、数显单元。 四、实验步骤： 1、将霍尔传感器按图8-2 安装。霍尔传感器与实验模板的连接 按图8-3 进行。1、3 为电源±4Ｖ，2、4 为输出。图8-2 霍尔 传感器安装示意图 2、开启电源，调节测微头使霍尔片在磁钢中间位置再调节RW2 使数显表指示为零。
引言 电涡流传感器具有灵敏度高、分辨力高、线性度高、重复性好、结构简单、抗干扰能力强、线性测量范围宽、安装方便、非接触测量、耐高温、能在油、汽、水等恶劣环境下长期连续工作的特点以及能够实现信息的远距离传输、记录、显示和控制的优势，被广泛应用于工业生产和科学研究等领域的位移、振动、偏心、胀差、厚度、转速等物理量的在线检测和安全保护，为精密诊断系统提供了全息动态特性。因而对于电涡流传感器的研究有着深远的理论和实践意义。 目前，对电涡流传感器的研究，主要集中在电磁学模型机理的研究、线圈几何形状的优化设计、测量精度的提高、非线性的线性化和应用范围的拓展等方面。本文提出了一种新型的电涡流传感器设计方案，具有速度快、功耗低、稳定性好等诸多优点，并已广泛应用于电力、石化、冶金、钢铁、航空航天等领域，取得了非常好的效果，得到了用户的一致好评。 1 电涡流传感器的基本工作原理[1-2] 电涡流传感器的基本工作原理是基于电涡流效应。根据法拉第电磁感应定律可知：金属导体置于变化的磁场中时，导体表面就会有感应电流产生。电流的流线在金属导体内自行闭合，这种由电磁感应原理产生的旋涡状感应电流称为电涡流，这种现象称为电涡流效应，电涡流传感器就是利用电涡流效应来检测导电物体的各种物理参数的。如图1所示。 理论和实践均证明:电涡流的大小与导体的磁导率ξ、电导率σ、线圈与导体之间的距离D 、激励电流强度I 、激励电流角频率ω、线圈尺寸因子等参数有关。探头线圈的阻抗Z 是上述参数的函数，即Z =F (,ξ, σ, D , I,ω) 。 很显然，如果只改变其中的某一参数，其他参数恒定，阻抗就成为该参数的单值函数。假设被测金属导体材质均匀，且具有线性和各向同性的性能特点，我们可以控制,ξ, σ, I ,ω这几个参数在一定范围内不变，则阻抗就成为距离的单值 函数，再通过前置器电子线路的处理，将探头线圈阻抗的变化，即探头线圈与金属导体之间的距离的变化转化为电压或电流的变化。输出信号的大小随探头到被测体表面之间的距离而变化，电涡流传感器正是基于这样的原理实现对位移、振动、胀差、偏心等的测量。 图1 电涡流传感器的工作原理 2 电涡流传感器电路设计 2.1 测量电路的选择[3-5] 电涡流传感器的测量电路可分为调频式和调幅式两种，调幅式测量电路又可细分为恒定频率的调幅式和频率变化的调幅式两种。 调幅式测量电路是指以输出高频信号的幅度来反映电涡流传感器探头与被测金属导体之间的关系。其特点是:输出可以被调理为直流电压，而对直流电压进行数据采集的速度快、时间短、可以降低功耗。 调频式测量电路是指将探头线圈的电感量与微调电容构成振荡器，以振荡器的频率作为输出量的一种转换电路。其优点是：电路结构简单，抗干扰能力强，性能较稳定，分辨率和精度高，易与计算机连接，频率输出便于数据采集和处理，成本较低。 在本设计中我们采用调幅式电路。2.2 滤波、稳压、同相比例放大电路的设计 该部分电路的作用是消除直流电源中的交流成分以及电源电压的波动所造成的影响。如图2所示。 2.3 振荡电路的设计[6] 电感三点式振荡电路：由于反馈支路是电感，振荡器的输出波形中含有较多的高次谐波，且振荡频率不高，对本设计不适用，故不予采用。 电容三点式振荡电路：由于输出端和反馈支路均为电容，对高次谐波电抗小，反馈电压中高次谐波分量很少，振荡频率稳定度高，因而输出波形好，更接近正弦 波。振荡频率可以较高。符合本设计的要求，故采用。如图3所示。 图3 电容三点式振荡电路 在本设计中，为了保证振荡电路输出信号的稳定和可靠，我们采取了如下措施： 针对电源电压的变化，在电源端添加了稳压环节；针对负载变化，在振荡电路与负载之间插入了缓冲电路以屏蔽负载的影响；针对环境温度变化，采用了温度系数较小的元件，例如云母电容等；针对外界磁场会引起磁性材料磁导率的变化，影响传感器线圈的涡流效应，将振荡器密封在传感器壳体内，起到屏蔽作用，可减少回路与外界发生的电磁耦合。 2.4 检波、滤波电路的设计 检波、滤波电路将电容三点式振荡器的输出信号，经过检波、滤波，将其转换为直流信号。通过对电路的优化设计，对元器件一致性的筛选以及电阻、电容参数的合理选配，使得该电路既能保证独立线性指标的要求，又能满足对动态响应时间指标的要求，同时还要尽可能降低直流信号输出的交流噪声。检波、滤波电路如图4所示。 2.5 对数运算电路的设计[7] 电涡流传感器的设计 伍艮常 株洲职业技术学院，湖南株洲 ４１２００１ DOI ：10.3969/j.issn.1001-8972.2011.12.076 图2 滤波、稳压、同相比例放大电路
电涡流振动传感器 安装、使用、信号辨别 电涡流式位移传感器由探头和前置放大器（又称测隙仪）二部分组成，探头对着转子被测表面，但并不接触，留有一定的间隙，用支架固定在轴承的瓦座上或机壳上，通过延伸电缆与机壳外的前置放大器相连。 电涡流式位移传感器是非接触式传感器，具有灵敏度高、线性范围大、频响范围宽、具有零频响应、探头结构尺寸小、抗干挠能力强、适于远距离传送、易于校准标定等优点。与接触式传感器（速度传感器、加速度传感器都是接触式）相比，电涡流式传感器能够更准确地测量出转子振动状况的各种参数，尤其适用于大型旋转机械轴振动、轴位移、相位、轴心轨迹、轴心位置、差胀、等等的测量，用途十分广泛。 1、传感器的安装使用要求 初始间隙的确定——各种型号电涡流传感器应在一定的间隙电压值下，其读数才有较好的线性度，所以在安装传感器是必须调整好合适的初始间隙。根据电涡流传感器特性曲线，用于振动测量的传感器静态最大量程不能大于2.5 mm，动态下为了获得较好的线性度，其工作间隙应在0.3~2.8 mm范围内，即仪表所指示间隙电压为2~16V，因此传感器工作点的选择应为静态时安装间隙电压为11V左右。
保证被测表面必须光洁——椭圆度小于20μm，否则所测结果中包含了表面光洁度及椭圆度给测量结果带来较大误差，如局部腐蚀、有凹坑或伤痕等，即使不振动，涡流传感器也会有波动电压输出，甚至测量结果不能使用 避免交叉感应和过小的侧向间隙——当两个垂直或平行安装的传感器相互靠拢时，它们之间将产生交叉感应，使传感器输出灵敏度降低。为了避免交叉感应两个传感器不能靠得太近，图中的A≥40mm。 侧隙过小使传感器头部两侧存在导体，这也会降低传感器输出灵敏度，正确的侧隙b≥1.5d，d是传感器顶部线圈直径。传感器头部外露高度c，一般没有特别规定，但现场使用证明，c太小也会降低传感器灵敏度，正确的c≥2d。 金属材料的影响——在使用中，除了要注意间隙问题外，还须考虑被测物体是何种金属材料，因为同一传感器测量不同材质的物体时，其输出灵敏度也不相同，因此，制造厂用某种标定材料给出的标准曲线，在实际使用时如果不是标定材料，最好用实际使用中的材料重新标定。 温度影响——一般涡流传感器最高容许温度≤180℃，目前国产涡流传感器最高容许温度大部分在120℃以下，实际上工作
实验二十电涡流传感器位移实验 一、实验目的 了解电涡流传感器测量位移的工作原理和特性。 二、实验内容 用铁圆片检测电涡流传感器的位移特性。 三、实验仪器 电涡流传感器实验模板、电涡流传感器、直流电源、数显单元、测微头、铁圆片。 四、实验原理 电涡流式传感器由平面线圈和金属涡流片组成，当线圈中通以高频交变电流后，与其平行的金属片上感应产生电涡流，电涡流的大小影响线圈的阻抗Z，而涡流的大小与金属涡流片的电阻率、导磁率、厚度、温度以及与线圈的距离X有关。当平面线圈、被测体（涡流片）、激励源已确定，并保持环境温度不变，阻抗Z只与X距离有关。将阻抗变化经涡流变换器变换成电压V输出，则输出电压是距离X的单值函数。 五、实验注意事项 被测体与涡流传感器测试探头平面尽量平行，并将探头尽量对准被测体中间，以减少涡流损失。 六、实验步骤 1、根据图20－1安装电涡流传感器。 2、观察传感器结构，这是一个平绕线圈。 3、将涡流传感器输出线接入实验模板上标有L的两端插孔中，作为振荡器的一个元件。
图20－1 电涡流传感器安装示意图 图8－2 电涡流传感器位移实验接线图 4、在测微头端部装上铁质金属圆片，作为电涡流传感器的被测体。 5、将实验模板输出端Vo与数显单元输入端Vin相接。数显表量程切换到选择电压20V 档。 6、用连结导线从主控台接入15V直流电源接到模板上标有＋15V的插孔中。 7、使测微头与传感器线圈端部接触，开启主控台电源开关，此时数显表读数为最小，然后每隔0.1mm读一个数，直到输出几乎不变为止。将结果列入下表。（实验结论：1、本实验每隔0.1mm是相对位置，起始值看做0.1mm即可，无需从测微头上读绝对位置。每旋转0.1mm，输出的电压的增量应该大致相等。2、由于学生做实验可能不能正确的找到起始点， 导致采集的数据不在线性范围内，从而影响数据采集的线性度，可以让学生从选取的起始
成绩评定：_______ 传感器技术 课程设计 题目位移电涡流传感器测量电路设计
电涡流传感器由于具有对介质不敏感、非接触的特点, 广泛应用于对金属的位移检测中。为扩大电涡流传感器的测量范围, 采用恒频调幅式测量电路, 引用指数运算电路作为非线性补偿环节。利用Matlab计算软件辅助设计了直径为60mn电涡流传感器探头,并结合测量电路进行实验。实验结果表明最大测量范围接近90mm验证了该系统工作的稳定性，证明设计达到了预期效果。关键词: 电涡流传感器; 测量电路;大位移; 线性化
一、设计目的-------------------- 1 二、设计任务与要求- --------------------- 1 2.1 设计任务 ---------------------- 1 2.2 设计要求 ---------------------- 1 三、设计步骤及原理分析--------------- 1 3.1 设计方法----------------------- 1 3.2 设计步骤 ---------------------- 2 3.3 设计原理分析 -------------------- 6 四、课程设计小结与体会--------------- 6 五、参考文献- ------------------------- 6
一、设计目的 1. 了解电涡流传感器测量位移的工作原理和特性。 2. 了解电涡流传感器的前景及用途 二、设计任务与要求 2.1设计任务 扩大电涡流传感器的测量范围，采用恒频调幅式测量电路，引用指数运算电路作为非线性补偿环节。验证了该系统工作的稳定性，证明设计达到了预期效果。 2.2设计要求 1. 工作在常温、常压、稳态、环境良好； 2. 设计传感器应用电路并画出电路图； 3. 应用范围：测量物体的位移。 三、设计步骤及原理分析 3.1设计方法 电涡流传感器具有体积小、非接触、对介质不敏感的特点，被广泛应用于对金属位移等的测量中。尽管用电涡流传感器非接触测量位移已经得到广泛的应用但是测量位移的线性范围受到传感器线圈直径的限制，位移测量范围为线圈直径的1/3~1/5,大直径的传感器，其测量范围最大可以接近到直径的1/2。在许多领域希望能进一步扩大传感器的测量范围，以满足大位移的非接触测量。文中采用指数运算电路作为非线性补偿环节来改善传感器原有的传输特性，扩大传感器测量范围。 由电磁感应定律可知：闭合金属导体中的磁通发生变化时，就会在导体中产生闭合的感应电涡流，阻碍磁通量的变化。如图1所示,传感线圈由交流信号激励在产生焦耳热的同时，又要产生磁滞损耗，它们造成交变磁场能量的损失，进而使传感器的等效阻抗Z发生变化。 影响阻抗Z的因素有被测导体的电导率、磁导率、线圈的激励频率f及传感器与被测导体间的位移x等,只要保证这些影响因素只有位移x变化,其他都保持不变,则传感器
电涡流传感器探头的原理以及实际应用和安装 一、概述 我公司#1、#2小汽轮机TSI（汽轮机监视系统）使用美国本特立.内华达公司生产的3500 电涡流传感器系统，本系统为我公司#1、#2小机TSI系统提供准确可靠的监测数据。 在#1、#2小机TSI系统中主要使用了本特立.内华达公司的3500 XL 8 mm 电涡流传感器，这种电涡流传感器提供最大80 mils (2 mm)线性范围和200 mV/mil 的输出。它在大多数机械监测应用中用于径向振动、轴向位移、转速和相位的测量。 二、工作原理 电涡流传感器可分为高频反射式和低频透射式两类，我公司主要使用高频反射式电涡流传感器，下面将对其工作原理作以阐述： 电涡流传感器是基于电磁感应原理而工作的，但又完全不同于电磁感应，并且在实际测量中要避免电磁感应对其的干扰。电涡流的形成：现假设有一线圈中的铁心是由整块铁磁材料制成的，此铁心可以看成是由许多与磁通相垂直的闭合细丝所组成，因而形成了许多闭合的回路。当给线圈通入交变的电流时，由于通过铁心的磁通是随着电流做周期性变化的，所以在这些闭合回路中必有感应电动势产生。在此电动势的作用下，形成了许多旋涡形的电流，这种电流就称为电涡流。电涡流传感器的工作原理如下图所示：
当线圈中通过高频电流i时，线圈周围产生高频磁场，该磁场作用于金属体，但由于趋肤效应，不能透过具有一定厚度的金属体，而仅作用于金属表面的薄层内。在交变磁场的作用下金属表面产生了感应电流Ie，即为涡流。感应电流也产生一个交变磁场并反作用于线圈上，其方向与线圈原磁场方向相反。这两个磁场相互叠加，就改变了原来线圈的阻抗Z，Z的变化仅与金属导体的电阻率ρ、导磁率u、激励电磁强度i、频率f、线圈的几何形状r以及线圈与金属导体之间的距离有关。线圈的阻抗可以用如下的函数式表示：Z=F(ρ、u、i、f、d）。当被测对象的材料一定时，ρ、u为常数，仪表中的i、f、d也为定值，于是Z就成为距离d的单值函数。 三、实际应用 电涡流传感器以其测量线性范围大，灵敏度高，结构简单，抗干扰能力强，不受油污等介质的影响，特别是非接触测量等优点，而得到了广泛的应用。在火电厂中主要应用在以下几个监测项目： 1、转子转速：在机组运行期间，连续监视转子的转速，当转速高于给定值时 发出报警信号或停机信号。其工作原理：根据电涡流传感器的工作原理可知，趋近式电涡流探头和运行的转子齿轮之间会产生一个周期性变化的脉冲量，测出这个周期性变化的脉冲量，即可实现对转子转速的监测。
电涡流位移传感器的原理及其静态标定方法电涡流是20世纪70年代以后发展较快的一种新型传感器，它广泛的应用在位移震动检测、金属材质鉴别，无损探伤等技术领域。 实验目的： 了解电涡流位移传感器的结构和工作原理。 了解电涡流位移传感器的静态标定方法。 实验原理 结构：变间隙式是最常用的一种电涡流传感器形式，它的结构很简单，由一个扁平线圈固定在框架上构成。线圈用高强度漆包铜线或银线绕成，用粘结剂粘在框架端部或是绕指在框架槽内。线圈框架应采用损耗小、电性能好、热膨胀系数小的材料，常用高频陶瓷、聚四氟乙烯等。由于激励频率较高，对所用的电缆和插头也要充分重视，一般使用专用的高频电缆和插头。 工作原理：在传感器线圈中通以高频电流，则在线圈中产生高频交变磁场。当到点被测金属板接近线圈，并置于线圈的磁场范围内，交变磁场在金属板的表面层内产生感应电流，即电涡流。电涡流又产生一个反向的磁场，减弱了线圈的原磁场，从而导致线圈的电感量、阻抗和品质因素发生变化，这些参数的变化与导体的几何形状、电导率、线圈的几何参数、电流的频率以及线圈与被测导体间的距离有关。如果控制上述参数的变化，在其他条件不变的情况下，仅是线圈与金属板之间距离的单值函数，从而达到测量位移间隙的目的。 测量电路 当传感器接近被测导体时，损耗功率增大，回路失谐，输出电压相应变小。这样，在一定范围内，输出电压幅值与间隙呈近似线性关系。由于输出电压的频率始终恒定，因此称为定频幅式。这种电路采用适应晶体振荡器，旨在获得高稳定度频率的高频激励信号，以保证
稳定的输出。 实验仪器与材料 电涡流位移传感器静态标定系统 Hz-8500探头前置器 8511型电涡流探头 电涡流传感器测量装置 高精度数字万用表。 实验内容： 实验一：被测金属板采用铝质板，测量U-x 关系曲线。 实验二：被测金属板仍采用铝质板，但直径较小，测量U-x 关系曲线。 实验三：被测金属板采用铁板，测量U-x 关系曲线。 5、实验数据： 实验一数据： 6、实验要求： 1、画出（实验一）中的U-x 关系曲线，确定传感器的线性工作范围计算传感器的灵敏度。答：线性工作范围：由画出的U-X关系曲线可以看出其线性工作范围在0~13 灵敏度：(15.4-1.78)/13=1.048
位移电涡流传感器测量电路设计-)
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成绩评定： 传感器技术 课程设计 题目位移电涡流传感器测量电路设计
摘要 电涡流传感器由于具有对介质不敏感、非接触的特点,广泛应用于对金属的位移检测中。为扩大电涡流传感器的测量范围,采用恒频调幅式测量电路,引用指数运算电路作为非线性补偿环节。利用Matlab计算软件辅助设计了直径为60mm电涡流传感器探头,并结合测量电路进行实验。实验结果表明最大测量范围接近90mm,验证了该系统工作的稳定性,证明设计达到了预期效果。关键词:电涡流传感器;测量电路;大位移;线性化
目录 一、设计目的------------------------- 1 二、设计任务与要求--------------------- 1 2.1设计任务 ----------------------- 1 2.2设计要求 ----------------------- 1 三、设计步骤及原理分析 ----------------- 1 3.1设计方法 ----------------------- 1 3.2设计步骤 ----------------------- 2 3.3设计原理分析 -------------------- 6 四、课程设计小结与体会 ----------------- 6 五、参考文献-------------------------- 6
一、设计目的 1.了解电涡流传感器测量位移的工作原理和特性。 2.了解电涡流传感器的前景及用途 二、设计任务与要求 2.1设计任务 扩大电涡流传感器的测量范围,采用恒频调幅式测量电路,引用指数运算电 路作为非线性补偿环节。验证了该系统工作的稳定性,证明设计达到了预期效果。 2.2设计要求 1. 工作在常温、常压、稳态、环境良好； 2. 设计传感器应用电路并画出电路图; 3. 应用范围：测量物体的位移。 三、设计步骤及原理分析 3.1设计方法 电涡流传感器具有体积小、非接触、对介质不敏感的特点,被广泛应用于对金属位移等的测量中。尽管用电涡流传感器非接触测量位移已经得到广泛的应用,但是测量位移的线性范围受到传感器线圈直径的限制,位移测量范围为线圈直径的1/3~1/5,大直径的传感器,其测量范围最大可以接近到直径的1/2。在许多领域希望能进一步扩大传感器的测量范围,以满足大位移的非接触测量。文中采用指数运算电路作为非线性补偿环节来改善传感器原有的传输特性,扩大传感器测量范围。 由电磁感应定律可知:闭合金属导体中的磁通发生变化时,就会在导体中产生闭合的感应电涡流,阻碍磁通量的变化。如图1所示,传感线圈由交流信号激励,在产生焦耳热的同时,又要产生磁滞损耗,它们造成交变磁场能量的损失,进而使传感器的等效阻抗Z发生变化。 影响阻抗Z的因素有被测导体的电导率、磁导率、线圈的激励频率f及传感器与被测导体间的位移x等,只要保证这些影响因素只有位移x变化,其他都保持
电涡流位移（振动）传感器原理与应用电涡流传感器能静态和动态地非接触、高线性度、高分辨力地测量被测金属导体距探头表面的距离。它是一种非接触的线性化计量工具。电涡流传感器能准确测量被测体（必须是金属导体）与探头端面之间静态和动态的相对位移变化。在高速旋转机械和往复式运动机械的状态分析，振动研究、分析测量中，对非接触的高精度振动、位移信号，能连续准确地采集到转子振动状态的多种参数。如轴的径向振动、振幅以及轴向位置。从转子动力学、轴承学的理论上分析，大型旋转机械的运动状态，主要取决于其核心—转轴，而电涡流传感器，能直接非接触测量转轴的状态，对诸如转子的不平衡、不对中、轴承磨损、轴裂纹及发生摩擦等机械问题的早期判定，可提供关键的信息。电涡流传感器以其长期工作可靠性好、测量范围宽、灵敏度高、分辨率高、响应速度快、抗干扰力强、不受油污等介质的影响、结构简单等优点，在大型旋转机械状态的在线监测与故障诊断中得到广泛应用。 一、电涡流传感器的基本原理 根据法拉第电磁感应原理，块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时，导体内将产生呈涡旋状的感应电流，此电流叫电涡流，以上现象称为电涡流效应。而根据电涡流效应制成的传感器称为电涡流式传感器。 前置器中高频振荡电流通过延伸电缆流入探头线圈，在探头头部的线圈中产生交变的磁场。当被测金属体靠近这一磁场，则在此金属表面产生感应电流，与此同时该电涡流场也产生一个方向与头部线圈方向相反的交变磁场，由于其反作用，使头部线圈高频电流的幅度和相位得到改变（线圈的有效阻抗），这一变化与金属体磁导率、电导率、线圈的几何形状、几何尺寸、电流频率以及头部线圈到金属导体表面的距离等参数有关。通常假定金属导体材质均匀且性能是线性和各项同性，则线圈和金属导体系统的物理性质可由金属导体的电导率б、磁导率ξ、尺寸因子τ、头部体线圈与金属导体表面的距离D、电流
电涡流式传感器的应用 摘要：随着现代测量、控制盒自动化技术的发展，传感器技术越来越受到人们的重视。特别是近年来，由于科学技术的发展及生态平衡的需要，传感器在各个领域的作用也日益显著。传感器技术的应用在许多个发达国家中，已经得到普遍重视。电涡流传感器已成为目前电测技术中非常重要的检测手段，广泛的应用于工程测量和科学实验中。 关键词：电涡流式传感器传感器技术 引言：电涡流传感器能静态和动态地非接触、高线性度、高分辨力地测量被测金属导体距探头表面距离。它是一种非接触的线性化计量工具。电涡流传感器能准确测量被测体（必须是金属导体）与探头端面之间静态和动态的相对位移变化。在高速旋转机械和往复式运动机械状态分析，振动研究、分析测量中，对非接触的高精度振动、位移信号，能连续准确地采集到转子振动状态的多种参数。如轴的径向振动、振幅以及轴向位置。电涡流传感器以其长期工作可靠性好、测量范围宽、灵敏度高、分辨率高等优点，在大型旋转机械状态的在线监测与故障诊断中得到广泛应用。 一.电涡流传感器的工作原理： 电涡流传感器利用检测线圈与被测导体之间的涡流效应进行测量，具有非接触测量、灵敏度高、频响特性好、抗干扰能力强等优点，其基本原理如图l所示。当线圈l通以交流电I1时，其产生的交变磁场H1会在被测导体2中产生电涡流 I2，而I2又产生一交变磁场H2 来阻碍H1的变化，从而使线圈的 等效电感L发生变化。当被测导 体的电阻率、磁导率都确定，只 有x发生变化时，通过分析提取 等效电感与测量位移间的关系， 就可以建立电涡流位移传感器。 从转子动力学、轴承学的理论上分析，大型旋转机械的运动状态，主要取决于其核心—转轴，而电涡流传感器，能直接非接触测量转轴的状态，对诸如转子
实验二十一 被测体面积大小对电涡流传感器的特性影响实验 一、实验目的： 了解电涡流传感器在实际应用中其位移特性与被测体的形状和尺寸有关。 二、基本原理： 电涡流传感器在实际应用中，由于被测体的形状，大小不同会导致被测体上涡流效应的不充分，会减弱甚至不产生涡流效应，因此影响电涡流传感器的静态特性，所以在实际测量中，往往必须针对具体的被测体进行静态特性标定。 三、需用器件与单元： 直流源、电涡流传感器、测微头、电涡流传感器实验模板、不同面积的铝被测体、数显单元。 四、实验步骤： 1．按图2-1安装电涡流传感器。 图2-1传感器安装示意图 2．在测微头端部装上铝质金属（小圆盘与小圆柱体），作为电涡
流传感器的被测体。调节测微头，使铁质金属圆盘的平面贴到电涡流传感器的探测端，固定测微头。 图2-2 电涡流传感器接线示意图 3．传感器连接按图2-2，实验模块输出端Uo与直流电压表输入端U i相接。直流电压表量程切换开关选择电压20V档，模块电源用2号导线从实验台上接入+15V电源。 4．合上实验台上电源开关，记下数显表读数，然后每隔0.1mm 读一个数，直到输出几乎不变为止。将结果列入表2-1。
（1）由上图可得系统灵敏度：S=ΔV/ΔW=3.1977V/mm （2）由上图可得非线性误差： 当x=1mm时: Y=3.1977×1+2.4036=5.6013V Δm=Y-5.70=-0.0987V yFS=10.69V δf=Δm/yFS×100%=0.923% 当x=3mm时: Y=3.1977×3+2.4036=12.00V Δm=Y-11.2=0.8V yFS=10.69V δf=Δm/yFS×100%=7.48% 表2-3 铝质被测体（圆柱体）
电涡流位移传感器的工作原理： 电涡流传感器能静态和动态地非接触、高线性度、高分辨力地测量被测金属导体距探头表面距离。它是一种非接触的线性化计量工具。电涡流传感器能准确测量被测体(必须是金属导体)与探头端面之间静态和动态的相对位移变化。 在高速旋转机械和往复式运动机 械状态分析，振动研究、分析测 量中，对非接触的高精度振动、 位移信号，能连续准确地采集到 转子振动状态的多种参数。如轴 的径向振动、振幅以及轴向位置。 电涡流传感器以其长期工作可靠 性好、测量范围宽、灵敏度高、分辨率高等优点，在大型旋转机械状态的在线监测与故障诊断中得到广泛应用。 从转子动力学、轴承学的理论上分析，大型旋转机械的运动状态，主要取决于其核心—转轴，而电涡流传感器，能直接非接触测量转轴的状态，对诸如转子的不平衡、不对中、轴承磨损、轴裂纹及发生摩擦等机械问题的早期判定，可提供关键的信息。 根据法拉第电磁感应原理，块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时，导体内将产生呈涡旋状的感应电流，此电流叫电涡流，以上现象称为电涡流效应。而根据电涡流效应制成的传感器称为电涡流式传感器。
前置器中高频振荡电流通过延伸电缆流入探头线圈， 在探头头部的线圈中产生交变的磁场。当被测金属体靠近这一磁场，则在此金属表面产生感应电流，与此同时该电涡流场也产生一个方向与头部线圈方向相反的交变磁场，由于其反作用，使头部线圈高频电流的幅度和相位得到改变(线圈的有效阻抗)，这一变化与金属体磁导率、电导率、线圈的几何形状、几何尺寸、电流频率以及头部线圈到金属导体表面的距离等参数有关。通常假定金属导体材质均匀且性能是线性和各项同性，则线圈和金属导体系统的物理性质可由金属导体的电导率б、磁导率ξ、尺寸因子τ、头部体线圈与金属导体表面的距离D、电流强度I和频率ω参数来描述。则线圈特征阻抗可用Z=F(τ, ξ, б, D, I, ω)函数来表示。通常我们能做到控制τ, ξ, б, I, ω这几个参数在一定范围内不变，则线圈的特征阻抗Z就成为距离D的单值函数，虽然它整个函数是一非线性的，其函数特征为“S”型曲线，但可以选取它近似为线性的一段。于此，通过前置器电子线路的处理，将线圈阻抗Z的变化，即头部体线圈与金属导体的距离D的变化转化成电压或电流的变化。输出信号的大小随探头到被测体表面之间的间
电涡流传感器 原理图 1、什么是电涡流效应？ 电感线圈产生的磁力线经过金属导体时，金属导体就会产生感应电流，且呈闭合回路，类似于水涡流形状，故称之为电涡流也叫做电涡流效应，其实是电磁感应原理的延伸。 注意：电涡流传感器要求被测体必须是导体。 传感器探头里有小型线圈，由控制器控制产生震荡电磁场，当接近被测体时，被测体表面会产生感应电流，而产生反向的电磁场。这时电涡流传感器根据反向电磁场的强度来判断与被测体之间的距离。2、电涡流传感器的工作原理与结构
。 传感器线圈由高频信号激励，使它产生一个高频交变磁场φi，当被测导体靠近线圈时，在磁场作用范围的导体表层，产生了与此磁场相交链的电涡流ie，而此电涡流又将产生一交变磁场φe阻碍外磁场的变化。从能量角度来看，在被测导体内存在着电涡流损耗（当频率较高时，忽略磁损耗）。能量损耗使传感器的Q值和等效阻抗Z 降低，因此当被测体与传感器间的距离d改变时，传感器的Q值和等效阻抗Z、电感L均发生变化，于是把位移量转换成电量。这便是电涡流传感器的基本原理 3、电涡流传感器的实际应用 电涡流传感器测量齿轮转速的应用
4、使用电涡流传感器时的注意事项 对被测体的要求 为了防止电涡流产生的磁场影响仪器的正常输出安装时传感器头部四周必须留有一定范围的非导电介质空间，如果在某一部位要同时安装两个以上的传感器，就必须考虑是否会产生交叉干扰，两个探头之间一定要保持规定的距离，被测体表面积应为探头直径3倍以上，当无法满足3倍的要求时，可以适当减小，但这是以牺牲灵敏度为代价的，一般是探头直径等于被测体表面积时，灵敏度降低至70%，所以当灵敏度要求不高时可适当缩小测量表面积。